JP2001243968A - Control device and method for heating efficiently fuel processor in fuel cell system - Google Patents
Control device and method for heating efficiently fuel processor in fuel cell systemInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池システム
に係り、より詳しくは、電力を生成するためＨ2の豊富
なガスを消費する複数の燃料電池を有するシステムに関
する。BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a system having a plurality of fuel cells that consume rich gas H 2 to generate electrical power.
【０００２】アメリカ合衆国政府は、米国エネルギー省
により授与された契約番号ＤＥ−ＡＣ０２−９０ＣＨ１
０４３５に従って本発明に関する権利を有する。[0002] The United States Government has contract number DE-AC02-90CH1 awarded by the United States Department of Energy.
No. 0435, the rights relating to the present invention.
【０００３】[0003]
【従来技術】燃料電池は、多数の用途で電力源として使
用されてきた。例えば、燃料電池は内燃機関に取って代
わるため電気自動車の電力設備で使用するため提案され
てきた。陽子交換膜（ＰＥＭ）型式の燃料電池では、水
素が燃料電池のアノードに供給され、空気が酸化剤とし
てカソードに供給される。ＰＥＭ燃料電池は、薄い陽子
透過性で非導電性の固体ポリマー膜電解質からなる「膜
電極アセンブリ（ＭＥＡ）」を備え、固体ポリマー膜電
解質は、その一方の面にアノード触媒、反対側の面にカ
ソード触媒を有している。ＭＥＡは、一対の導電性エレ
メントの間に挟まれ、該一対の導電性エレメントは、
（１）アノード及びカソード用の電流コレクターとして
役立ち、（２）各々のアノード及びカソードの触媒の表
面に亘る燃料電池ガス状反応物の分配のための適切なチ
ャンネル及び／又は開口を含む。「燃料電池」という用
語は、典型的には、文脈に応じて単一電池及び複数の電
池（スタック）のいずれかに言及するため使用される。
複数の個々の電池は、一般には、燃料電池スタックを形
成するため一緒に束ねられ、一般に、直列に配列されて
いる。スタック内部の各々の電池は、前述した膜電極ア
センブリ（ＭＥＡ）を含み、そのような膜電極アセンブ
リの各々は、その電圧の増分を提供する。スタック内部
で隣接する電池のグループは、クラスターと称される。
スタック内における多数の電池の典型的な配列は、ゼネ
ラル・モーターズ・コーポレーションに譲渡された、米
国特許番号５，７６３，１１３号で説明されている。2. Description of the Related Art Fuel cells have been used as a power source in a number of applications. For example, fuel cells have been proposed for use in electric vehicle power equipment to replace internal combustion engines. In proton exchange membrane (PEM) type fuel cells, hydrogen is supplied to the anode of the fuel cell and air is supplied to the cathode as an oxidant. PEM fuel cells comprise a "membrane electrode assembly (MEA)" consisting of a thin proton-permeable, non-conductive solid polymer membrane electrolyte, the solid polymer membrane electrolyte having an anode catalyst on one side and an opposite side on the opposite side. It has a cathode catalyst. The MEA is sandwiched between a pair of conductive elements, the pair of conductive elements comprising:
(1) Serving as a current collector for the anode and cathode, and (2) including appropriate channels and / or openings for distribution of fuel cell gaseous reactants across the surface of the respective anode and cathode catalysts. The term "fuel cell" is typically used to refer to either a single cell or multiple cells (stack), depending on the context.
A plurality of individual cells are typically bundled together to form a fuel cell stack and are generally arranged in series. Each cell within the stack includes a membrane electrode assembly (MEA) as described above, and each such membrane electrode assembly provides its voltage increment. Groups of cells that are adjacent within the stack are called clusters.
A typical arrangement of multiple cells in a stack is described in U.S. Patent No. 5,763,113, assigned to General Motors Corporation.
【０００４】ＰＥＭ燃料電池では、水素（Ｈ2）がアノ
ード反応物（即ち燃料）であり、酸素がカソード反応物
（即ち酸化剤）である。酸素は、純粋形態（Ｏ2）及び
空気（Ｏ2とＮ2の混合物）のいずれでもよい。固体ポリ
マー電解質は、典型的には例えばペリフルオロ化スルホ
ン酸（perfluoronated sulfonic acid）などのイオン交
換樹脂から作られる。アノード／カソードは、典型的に
は細かく分割された触媒粒子を含み、これらの粒子は、
しばしば炭素粒子に担持され、陽子伝達性樹脂と混合さ
れる。触媒粒子は、典型的には、高価な貴金属粒子であ
る。これらの膜電極アセンブリは、製造する上で比較的
高価であり、効率的な作動のため、適切な水管理、加湿
及び一酸化炭素（ＣＯ）などの触媒汚染要素の制御を含
む幾つかの条件を必要とする。In a PEM fuel cell, hydrogen (H 2 ) is the anode reactant (ie, fuel) and oxygen is the cathode reactant (ie, oxidant). Oxygen can be in either pure form (O 2 ) or air (a mixture of O 2 and N 2 ). Solid polymer electrolytes are typically made from ion exchange resins such as, for example, perfluoronated sulfonic acid. The anode / cathode typically comprises finely divided catalyst particles, which are
Often supported on carbon particles and mixed with a proton-transmissive resin. The catalyst particles are typically expensive noble metal particles. These membrane electrode assemblies are relatively expensive to manufacture and require several conditions for efficient operation, including proper water management, humidification, and control of catalytic contaminants such as carbon monoxide (CO). Need.
【０００５】車両の用途に対しては、燃料電池用の水素
源として例えばアルコール（例えばメタノール又はエタ
ノール）或いは炭化水素（例えばガソリン）などの液体
燃料を使用するのが望ましい。車両用のそのような液体
燃料は、車内に蓄えるのが容易であり、液体燃料を供給
するための全国的なインフラストラクチャーが存在す
る。しかしながら、そのような燃料は、燃料電池に燃料
供給するためには、その水素含有成分を解放するように
解離されなければならない。解離反応は、化学燃料プロ
セッサ即ち改質器内部で達成される。燃料プロセッサ
は、１つ又は複数の反応器を含み、該反応器では、燃料
は、主要には水素及び二酸化炭素を含む改質ガスを与え
るため、蒸気と反応し、場合によっては空気とも反応す
ることがある。例えば、蒸気メタノール改質プロセスで
は、理想的には、メタノール及び（蒸気としての）水が
水素及び二酸化炭素を生成するように反応される。実際
には、一酸化炭素及び水も生成される。ガソリンの改質
プロセスでは、蒸気、空気及びガソリンが、２つの区分
を含む燃料プロセッサ内で反応される。そのうちの１つ
の区分は、主として部分酸化反応器（ＰＯＸ）であり、
他方の区分は、主として蒸気改質器（ＳＲ）である。燃
料プロセッサは、水素、二酸化炭素、一酸化炭素及び水
を生成する。下流の反応器は、水／ガスシフト反応器
（ＷＧＳ）及び優先酸化反応器（ＰＲＯＸ）などを含み
得る。優先酸化反応器では、二酸化炭素（ＣＯ2）が、
空気から得られる酸素を酸化剤として使用して、一酸化
炭素（ＣＯ）から生成される。ここで、空気供給の制御
は、ＣＯをＣＯ2に選択的に酸化させるために重要であ
る。For vehicle applications, it is desirable to use a liquid fuel such as, for example, an alcohol (eg, methanol or ethanol) or a hydrocarbon (eg, gasoline) as the hydrogen source for the fuel cell. Such liquid fuels for vehicles are easy to store in vehicles and there is a nationwide infrastructure for supplying liquid fuels. However, such fuels must be dissociated to release their hydrogen-containing components in order to fuel a fuel cell. The dissociation reaction is accomplished inside a chemical fuel processor or reformer. The fuel processor includes one or more reactors in which the fuel reacts with steam to provide a reformed gas comprising primarily hydrogen and carbon dioxide, and in some cases also reacts with air. Sometimes. For example, in a steam methanol reforming process, ideally, methanol and water (as steam) are reacted to produce hydrogen and carbon dioxide. In practice, carbon monoxide and water are also produced. In a gasoline reforming process, steam, air and gasoline are reacted in a fuel processor containing two sections. One of them is mainly a partial oxidation reactor (POX),
The other category is mainly the steam reformer (SR). The fuel processor produces hydrogen, carbon dioxide, carbon monoxide and water. Downstream reactors can include water / gas shift reactors (WGS) and preferential oxidation reactors (PROX) and the like. In the preferential oxidation reactor, carbon dioxide (CO 2 )
It is produced from carbon monoxide (CO) using oxygen obtained from air as an oxidant. Here, the control of the air supply is important for selectively oxidizing CO to CO 2 .
【０００６】ＰＥＭ燃料電池によって消費するための水
素の豊富な改質物を生成するため炭化水素燃料を処理す
る燃料電池システムが知られている。このシステムは、
本発明の代理人であるゼネラル・モーターズ・コーポレ
ーションに各々譲渡されている、１９９７年１１月に出
願された現在係属中の米国特許出願シリアル番号０８／
９７５，４４２号及び０８／９８０，０８７号、並び
に、１９９８年１１月に出願された米国特許シリアル番
号０９／１８７，１２５号で説明されており、更に、１
９９８年３月５日に公開された、国際特許出願番号ＷＯ
９８／０８７７１号で説明されている。典型的なＰＥＭ
燃料電池及びその膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）は、各々
１９９３年１２月２１日に登録された米国特許５，２７
２，０１７号及び１９９４年５月３１日に登録された米
国特許５，３１６，８７１号で説明されている。それら
の特許はゼネラル・モーターズ・コーポレーションに譲
渡されている。[0006] Fuel cell systems are known that process hydrocarbon fuels to produce hydrogen-rich reformates for consumption by PEM fuel cells. This system is
Currently pending US Patent Application Serial No. 08 / filed November 1997, each assigned to General Motors Corporation, the agent of the present invention.
Nos. 975,442 and 08 / 980,087, and U.S. Patent Serial No. 09 / 187,125 filed November 1998;
International Patent Application No. WO published March 5, 998
98/08771. Typical PEM
Fuel cells and their membrane electrode assemblies (MEAs) are disclosed in US Pat. No. 5,27,197, each issued on Dec. 21, 1993.
No. 2,017 and U.S. Pat. No. 5,316,871 issued May 31, 1994. These patents have been assigned to General Motors Corporation.
【０００７】燃料電池システムの効率的な作動は、燃料
電池システムの３つの主要な構成要素、即ち、燃焼器、
燃料電池スタック及び燃料プロセッサを効率的にバラン
スさせる能力にかかっている。このハードウェアの構成
は、効率的な燃料電池システムを形成する一方で、これ
ら３つの主要な構成要素が循環的な縦続関係にあるが故
に制御バランスという問題を発生させる。具体的には、
燃焼器は、スタックから余剰の燃料を受け取る。スタッ
クは燃料プロセッサから燃料を受け取り、燃料プロセッ
サは燃焼器から熱を受け取る。制御に関する問題は、３
つの構成要素が完全なバランス状態を維持することがで
きない場合に発生し得る。例えば、燃焼器が非常に少な
い熱しか燃料プロセッサに送ることができない場合、燃
料プロセッサは、水及びメタノールを十分に改質するこ
とができず、その結果、燃料電池スタックは、有害な
「通り抜けた」メタノールを受け取ることになる。逆
に、燃焼器が過度の熱を燃料プロセッサに送った場合、
燃料プロセッサは、過熱され、該燃料プロセッサの触媒
を損傷させるであろう。[0007] Efficient operation of a fuel cell system is dependent on three major components of the fuel cell system: the combustor,
It depends on the ability to efficiently balance the fuel cell stack and the fuel processor. While this hardware configuration forms an efficient fuel cell system, it creates a problem of control balance because these three main components are in a cyclic cascade relationship. In particular,
The combustor receives excess fuel from the stack. The stack receives fuel from a fuel processor, and the fuel processor receives heat from the combustor. There are three control issues.
This can occur when one component cannot maintain perfect balance. For example, if the combustor can send very little heat to the fuel processor, the fuel processor may not be able to reform water and methanol sufficiently, so that the fuel cell stack may have a harmful "through""You will receive methanol. Conversely, if the combustor sends excessive heat to the fuel processor,
The fuel processor will overheat and damage the fuel processor's catalyst.
【０００８】他のシステム拘束問題が、上記制御問題に
追加される。燃料電池スタックは、燃料プロセッサから
の特定量の改質物を必要とする。この量は、車両負荷、
及び、その作動アノードラムダに依存する。典型的に
は、アノードラムダは、約１．２であり、これはスタッ
クが、車両から要求されるアンペア数に対して必要とさ
れる水素の約１．２倍を受け取ることを意味する。スタ
ックは、任意の余剰水素が燃焼器に送られる状態で、電
気を生成するため水素を消費する。[0008] Another system constraint problem is added to the control problem. Fuel cell stacks require a certain amount of reformate from a fuel processor. This amount is the vehicle load,
And its working anode lambda. Typically, the anode lambda is about 1.2, which means that the stack will receive about 1.2 times the required hydrogen for the amperage required from the vehicle. The stack consumes hydrogen to produce electricity with any excess hydrogen being sent to the combustor.
【０００９】典型的な設備一式では、燃料プロセッサ
は、メタノール及び水を、水素、二酸化炭素及び水から
なる改質物に転換する。改質物は、燃料電池スタックの
アノード側に供給される。かくして、燃料プロセッサ
は、厳密な量の改質物をスタックに供給しなければなら
ない。必要以上の改質物を供給することは、効率に悪影
響を及ぼす。必要以下の改質物を供給することしかでき
ない場合、車両の要求に合致しないことになる。In a typical set of equipment, a fuel processor converts methanol and water to a reformate consisting of hydrogen, carbon dioxide and water. The reformate is supplied to the anode side of the fuel cell stack. Thus, the fuel processor must supply a precise amount of reformate to the stack. Supplying more reformate than necessary adversely affects efficiency. If it is only possible to supply a reformate that is less than necessary, it will not meet the requirements of the vehicle.
【００１０】燃焼器は、燃料として余剰のスタック水素
を使用し、燃料プロセッサ用の熱を生成するため該水素
を空気で燃焼させる。燃料プロセッサは、メタノール及
び水を改質物に転換するため熱を必要とする。しかし、
燃焼器は、燃料電池スタックから受け取った余剰の水素
の全てを消費しなければならない。そうでなければ、通
常の作動中に、可燃性の水素が燃料電池以外を通過して
しまう。[0010] The combustor uses excess stack hydrogen as fuel and burns the hydrogen with air to generate heat for the fuel processor. Fuel processors require heat to convert methanol and water to reformate. But,
The combustor must consume all of the excess hydrogen received from the fuel cell stack. Otherwise, during normal operation, combustible hydrogen will pass beyond the fuel cell.
【００１１】完全なバランスを可能としない作動条件
は、調整を必要とする。Operating conditions that do not allow perfect balance require adjustment.
【００１２】[0012]
【発明が解決しようとする課題】かくして、燃料電池シ
ステムの相互接続された燃焼器、燃料電池スタック及び
燃料プロセッサの作動中に調整を可能とする、燃料電池
システムの燃料プロセッサを効率的に作動させるための
装置及び方法を提供することが望ましい。また、動的な
燃料電池システム作動中に車両負荷の要求を満足させる
と同時に、燃料電池システム外部への可燃性水素の追い
出しを防止する機能を備えた、装置及び方法を提供する
ことが望ましい。Thus, an efficient operation of the fuel processor of a fuel cell system is provided which allows for adjustment during operation of the interconnected combustor, fuel cell stack and fuel processor of the fuel cell system. It is desirable to provide an apparatus and a method for the same. It would also be desirable to provide an apparatus and method that has the function of satisfying vehicle load requirements during dynamic fuel cell system operation while preventing flammable hydrogen from being driven out of the fuel cell system.
【００１３】[0013]
【課題を解決するための手段】本発明は、燃料プロセッ
サにより生成された熱の量を効率的に制御するための独
自の制御装置及び方法であり、この燃料プロセッサは、
燃料インジェクタ及びヒートダンプバルブ（heat dump
valve）のうち一つだけが与えられた任意の時刻で作動
オンとなるように燃焼器燃料インジェクタ及び余剰熱の
ヒートダンプバルブを独自に制御する。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is a unique controller and method for efficiently controlling the amount of heat generated by a fuel processor, the fuel processor comprising:
Fuel injector and heat dump valve
valve), the combustor fuel injector and the surplus heat heat dump valve are independently controlled such that only one of the valves is turned on at a given time.
【００１４】本発明の一態様では、その独自の方法は、
燃料プロセッサの実際の作動温度、及び、与えられた燃
料電池スタックの負荷における燃料プロセッサの所望の
作動温度の温度差を決定し、燃料プロセッサの実際の温
度が、燃料プロセッサの所望の温度より低い場合、決定
された温度差に基づいて、該燃料プロセッサにより必要
とされる熱量を予測し、ヒートダンプバルブが閉じられ
た場合のみ、必要とされる熱量を生成するため燃焼器に
燃料を供給するように燃料インジェクタへのコマンドを
生成し、燃料プロセッサの実際の温度が該燃料プロセッ
サの所望の温度より高い場合、該燃料プロセッサの実際
の温度を所望温度に低下させるため該燃料プロセッサへ
の入力前に燃焼器から逸らさなければならない熱量を決
定し、決定された熱量を逸らせるためヒートダンプバル
ブのオリフィスの位置を決定し、燃料インジェクタが閉
じられた場合にのみ所望の熱量を逸らせるためヒートダ
ンプバルブのオリフィスへのコマンドを生成する、各工
程を含む。本発明の別の態様では、本方法は、燃料イン
ジェクタのオリフィスが開放されているか否かを決定
し、例えば開放される場合に信号を生成し、ヒートダン
プバルブが開放されるか否かを決定し、例えば開放され
る場合に信号を生成する、各工程を更に含む。In one aspect of the invention, the unique method comprises:
Determining the difference between the actual operating temperature of the fuel processor and the desired operating temperature of the fuel processor at a given load of the fuel cell stack, if the actual temperature of the fuel processor is lower than the desired temperature of the fuel processor; Predicting the amount of heat required by the fuel processor based on the determined temperature difference, and only providing fuel to the combustor to generate the required amount of heat when the heat dump valve is closed. Generate a command to the fuel injector and, if the actual temperature of the fuel processor is higher than the desired temperature of the fuel processor, before inputting to the fuel processor to reduce the actual temperature of the fuel processor to the desired temperature. Determines the amount of heat that must be diverted from the combustor and adjusts the heat dump valve orifice to divert the determined amount of heat. Determining the location, to generate a command to the heat dump valve orifice for diverting a desired amount of heat only when the fuel injector is closed, comprising the steps. In another aspect of the invention, the method includes determining whether an orifice of a fuel injector is open, e.g., generating a signal if open, and determining whether a heat dump valve is open. And generating a signal when released, for example.
【００１５】好ましくは、本方法は、ヒートダンプバル
ブを可変直径の出口即ちオリフィスを備えた線形アクチ
ュエータとして提供する工程を含む。本方法は、燃料プ
ロセッサの実際の温度が、該燃料プロセッサの所望の作
動温度と等しいか又は小さくなるまでヒートダンプバル
ブのオリフィスの開放状態を維持する。Preferably, the method includes providing the heat dump valve as a linear actuator with a variable diameter outlet or orifice. The method maintains the orifice of the heat dump valve open until the actual temperature of the fuel processor is less than or equal to the desired operating temperature of the fuel processor.
【００１６】本方法は、燃料プロセッサの実際の温度
が、該燃料プロセッサの所望の作動温度と等しいか又は
大きくなるまで燃料インジェクタの作動オン状態を維持
する工程を更に含む。[0016] The method further includes the step of keeping the fuel injector on until the actual temperature of the fuel processor is equal to or greater than the desired operating temperature of the fuel processor.
【００１７】最終的に、必要とされた熱量を生成する工
程は、必要熱コマンドを生成し、前記必要熱コマンド
を、燃焼器への空気流れに基づいて、前記燃料インジェ
クタを通して注入される燃料量に転換する、工程を更に
含む。Finally, the step of generating the required amount of heat comprises generating a required heat command and transmitting the required heat command based on the air flow to the combustor, the amount of fuel injected through the fuel injector. Further comprising the step of:
【００１８】本発明の別の態様では、燃料電池システム
において、燃料プロセッサに供給される熱を制御するた
めの装置が提供される。本装置は、燃料電池スタックの
与えられた負荷に対して燃料プロセッサにより必要とさ
れた熱を予測する手段と、燃料プロセッサの実際の作動
温度、及び、与えられた燃料電池スタックの負荷におけ
る燃料プロセッサの所望の作動温度の温度差を決定する
手段と、を備える。予測された熱及び温度差に基づいて
所望の熱値を得るための手段が設けられる。In another aspect of the invention, an apparatus for controlling heat supplied to a fuel processor in a fuel cell system is provided. The apparatus includes means for predicting the heat required by the fuel processor for a given load on the fuel cell stack, the actual operating temperature of the fuel processor, and the fuel processor at a given load on the fuel cell stack. Means for determining the temperature difference between the desired operating temperatures of the two. Means are provided for obtaining a desired heat value based on the predicted heat and temperature differences.
【００１９】本装置は、所望の熱値を所望の燃料インジ
ェクタの流量信号に転換するための手段も備える。所望
の熱逸らし量に対してヒートダンプバルブの流量位置を
決定するための手段が設けられる。最終的に、本装置
は、ヒートダンプバルブ及び燃料インジェクタの状態に
応じて、該燃料インジェクタが開放された場合に該ヒー
トダンプバルブが開放されることを防止し、該ヒートダ
ンプバルブが開放された場合に燃料インジェクタが開放
されることを防止するための手段を備える。The apparatus also includes means for converting a desired heat value to a desired fuel injector flow signal. Means are provided for determining the flow position of the heat dump valve for a desired amount of heat dissipation. Finally, according to the state of the heat dump valve and the fuel injector, the present apparatus prevents the heat dump valve from being opened when the fuel injector is opened, and the heat dump valve is opened. Means for preventing the fuel injector from opening in some cases.
【００２０】本発明の制御装置及び方法は、燃料電池シ
ステム内の燃焼器、燃料電池スタック及び燃料プロセッ
サの作動状態及びパラメータを、燃料プロセッサの加熱
を効率的に制御することにより、全負荷条件の下でバラ
ンスの取れた状態に独自に維持する。このバランスの取
れた状態は、余剰熱のヒートダンプバルブ及び燃焼器燃
料インジェクタが同時に作動することを防止することに
より達成される。この態様では、燃料プロセッサに供給
される熱を増加させるように熱調整するか、或いは、燃
焼器により生成された熱の一部分を燃料プロセッサから
逸れるようにヒートダンプすることが、燃料電池システ
ムの様々な構成要素をバランスの取れた状態に維持する
ことを確実にする。[0020] The control apparatus and method of the present invention controls the operating conditions and parameters of the combustor, fuel cell stack, and fuel processor in the fuel cell system by efficiently controlling the heating of the fuel processor to achieve full load conditions. Maintain your own in a balanced state below. This balanced state is achieved by preventing the excess heat heat dump valve and combustor fuel injector from operating simultaneously. In this aspect, adjusting the heat to increase the heat supplied to the fuel processor, or heat dumping a portion of the heat generated by the combustor away from the fuel processor, may be performed by a variety of fuel cell systems. Ensure that essential components are maintained in a balanced state.
【００２１】本発明の様々な特徴、利点及び他の使用方
法は、次の説明及び添付した図面を参照することによっ
てより明らかとなろう。The various features, advantages, and other uses of the present invention will become more apparent with reference to the following description and accompanying drawings.
【００２２】[0022]
【発明の実施の形態】本発明は、燃料電池システムの燃
焼器、燃料電池スタック及び燃料プロセッサの作動を、
全ての車両負荷条件の下で、効率的に制御し、バランス
を取ることによって、燃料電池システムの燃料プロセッ
サを効率的に加熱するための装置及び方法である。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to the operation of a combustor, a fuel cell stack and a fuel processor of a fuel cell system.
An apparatus and method for efficiently heating a fuel processor of a fuel cell system by efficiently controlling and balancing under all vehicle load conditions.
【００２３】本発明の特徴及び利点を、一例としてのみ
図１に示された燃料電池を参照して更に理解することが
できる。従って、本発明を更に説明する前に、本発明を
実施することができるシステムを理解することが有用で
ある。The features and advantages of the present invention can be better understood with reference to the fuel cell shown in FIG. 1 by way of example only. Therefore, before further describing the invention, it is helpful to understand the systems in which the invention can be implemented.
【００２４】図１は、燃料電池システムの一例を示して
いる。このシステムは、車両推進用のエネルギー源とし
て車両（図示せず）で使用することができる。本システ
ムでは、炭化水素は、例えば、体積又はモル単位で比較
的高い水素含有量を有する改質ガスを生成するため改質
及び優先酸化プロセスによって燃料プロセッサ内で処理
される。従って、水素の豊富な、比較的高い水素含有量
の改質物即ち供給流れが基準とされる。FIG. 1 shows an example of a fuel cell system. The system can be used in a vehicle (not shown) as an energy source for vehicle propulsion. In the present system, hydrocarbons are processed in a fuel processor by a reforming and preferential oxidation process to produce a reformed gas having a relatively high hydrogen content, for example, by volume or mole. Thus, a hydrogen-rich, relatively high hydrogen content reformate or feed stream is referenced.
【００２５】以下、本発明は、改質物が作られる方法に
係りなく、Ｈ2の豊富な当該改質物により燃料供給され
る燃料電池の文脈で説明される。本文中で具体化された
原理は、改質可能な炭化水素及び水素含有燃料、例えば
メタノール、エタノール、ガソリン、アルケン、又は、
他の脂肪族若しくは芳香族の炭化水素などを含む任意の
源から得られるＨ2により燃料供給される燃料電池に適
用可能であることが理解されるべきである。The invention will now be described in the context of a fuel cell fueled by the H 2 -rich reformate, regardless of how the reformate is made. The principles embodied in the text are that of reformable hydrocarbon and hydrogen containing fuels, such as methanol, ethanol, gasoline, alkenes, or
It should be understood that it is applicable to a fuel cell fueled with H 2 obtained from any source, including other aliphatic or aromatic hydrocarbons.
【００２６】図１に示すように、燃料電池装置は、改質
可能な炭化水素の燃料の流れ６と、水の流れ８からの蒸
気の形態にある水とを触媒的に反応させるための燃料プ
ロセッサ２を備えている。幾つかの燃料プロセッサで
は、空気は、優先酸化／蒸気改質反応の組み合わせにお
いても使用される。この場合には、燃料プロセッサ２
は、空気の流れ９も受け入れる。燃料プロセッサは、１
つ又はそれ以上の反応器１２を含み、該反応器では、流
れ６内の改質可能な炭化水素燃料が、水素の豊富な改質
物を生成するため、水／流れ８及び場合によっては（流
れ９内の）空気の存在下で解離を経験する。更には、各
々の反応器１２は、１つ又はそれ以上の反応器ベッドを
持ち得る。反応器１２は、１つ又はそれ以上の区分即ち
ベッドを持ち、様々な設計が知られ且つ利用可能であ
る。従って、反応器１２の選択及び配置は、変更するこ
とができる。以下、例として掲げた燃料改質反応器１４
及び下流側の反応器１６を説明する。As shown in FIG. 1, the fuel cell system comprises a fuel for catalytically reacting a reformable hydrocarbon fuel stream 6 with water in the form of steam from a water stream 8. A processor 2 is provided. In some fuel processors, air is also used in a preferential oxidation / steam reforming reaction combination. In this case, the fuel processor 2
Also accepts an air flow 9. The fuel processor is 1
It includes one or more reactors 12 in which the reformable hydrocarbon fuel in stream 6 produces water / stream 8 and optionally (stream) to produce a hydrogen-rich reformate. Experience dissociation in the presence of air (in 9). Further, each reactor 12 may have one or more reactor beds. Reactor 12 has one or more sections or beds, and various designs are known and available. Accordingly, the selection and arrangement of the reactor 12 can be varied. Hereinafter, the fuel reforming reactor 14 as an example
And the downstream reactor 16 will be described.
【００２７】例示によれば、一例としての蒸気／メタノ
ール改質プロセスでは、メタノール及び（蒸気として
の）水は、従来技術の欄で前述したように、水素及び二
酸化炭素を生成するため、反応器１４内で理想的に反応
される。実際には、一酸化炭素及び水も生成される。更
なる例によれば、一例としてのガソリン改質プロセスに
おいて、蒸気、空気及びガソリンが２つの区分を有する
反応器１４を含む燃料プロセッサ内で反応される。反応
器１４の一方の区分は、主要には、部分酸化反応器（Ｐ
ＯＸ）であり、当該反応器の他方の区分は、主要には、
蒸気改質器（ＳＲ）である。メタノール改質の場合のよ
うに、ガソリン改質は、所望の水素を生成するが、加え
て、二酸化炭素、水及び一酸化炭素を生成する。従っ
て、各々の型式の改質の後、生成物の流れの一酸化炭素
含有量を減少させることが望ましい。By way of illustration, in an exemplary steam / methanol reforming process, methanol and water (as steam) are used to produce hydrogen and carbon dioxide, as described above in the prior art section, in the reactor. 14 is ideally reacted. In practice, carbon monoxide and water are also produced. According to a further example, in an exemplary gasoline reforming process, steam, air and gasoline are reacted in a fuel processor including a reactor 14 having two sections. One section of the reactor 14 is mainly comprised of a partial oxidation reactor (P
OX), and the other section of the reactor is primarily
It is a steam reformer (SR). As in the case of methanol reforming, gasoline reforming produces the desired hydrogen, but in addition produces carbon dioxide, water and carbon monoxide. Accordingly, it is desirable to reduce the carbon monoxide content of the product stream after each type of reforming.
【００２８】従って、燃料プロセッサは、例えば水／ガ
スシフト（ＷＧＳ）反応器及び優先酸化反応器（ＰＲＯ
Ｘ）などの１つ又はそれ以上の下流反応器１６も典型的
に備えており、これらは、従来技術の欄で前述したよう
に、一酸化炭素から二酸化炭素への生成に使用される。
好ましくは、水素、二酸化炭素、一酸化炭素及び水を含
む最初の改質ガスの流れは、許容可能なレベル、例えば
２０ｐｐｍ以下にＣＯレベルを減少させるため、優先酸
化（ＰＲＯＸ）反応器１６で更に処理される。次に、Ｈ
2の豊富な改質物２０は、バルブ３１を通して燃料電池
２２のアノードチャンバーに供給される。これと同時
に、酸化剤の流れ２４からの酸素（例えば空気）は、燃
料電池２２のカソードチャンバーに供給される。改質物
の流れ２０からの水素及び酸化剤の流れ２４からの酸素
は、電気を生成するため燃料電池２２内で反応する。Thus, the fuel processor includes, for example, a water / gas shift (WGS) reactor and a preferential oxidation reactor (PRO).
One or more downstream reactors 16 such as X) are also typically provided, which are used for the production of carbon monoxide to carbon dioxide as described above in the prior art section.
Preferably, the first reformate gas stream comprising hydrogen, carbon dioxide, carbon monoxide and water is further passed through a preferential oxidation (PROX) reactor 16 to reduce the CO level to an acceptable level, eg, 20 ppm or less. It is processed. Next, H
The two rich reformates 20 are supplied to the anode chamber of the fuel cell 22 through a valve 31. At the same time, oxygen (eg, air) from oxidant stream 24 is supplied to the cathode chamber of fuel cell 22. Hydrogen from reformate stream 20 and oxygen from oxidant stream 24 react within fuel cell 22 to produce electricity.
【００２９】燃料電池２２のアノード側からの排出物即
ち流出物２６は、未反応の水素を幾らか含む。燃料電池
２２のカソード側からの排出物即ち流出物２８は未反応
の酸素を幾らか含む。酸化剤の流れ２４用の空気は、空
気供給源、好ましくは、コンプレッサ３０により供給さ
れる。空気供給源（コンプレッサ３０）からの空気は、
通常の作動条件下ではバルブ３２によって燃料電池２２
に向けられる。しかしながら、始動の間では、バルブ３
２は、燃焼器３４の入力通路に直接空気を提供するため
に付勢される。空気は、ライン４６を介して供給された
燃料と反応するため、燃焼器３４で使用される。燃焼器
の熱は、燃料プロセッサ２の様々な部分を加熱するため
使用される。The effluent or effluent 26 from the anode side of the fuel cell 22 contains some unreacted hydrogen. The effluent or effluent 28 from the cathode side of the fuel cell 22 contains some unreacted oxygen. The air for oxidant stream 24 is provided by an air supply, preferably compressor 30. The air from the air supply (compressor 30)
Under normal operating conditions, valve 32 allows fuel cell 22
Turned to However, during startup, valve 3
2 is energized to provide air directly to the input passage of the combustor 34. The air is used in combustor 34 to react with fuel supplied via line 46. The heat of the combustor is used to heat various parts of the fuel processor 2.
【００３０】燃料プロセッサ２内で発生する反応の幾つ
かは、吸熱性であり、その結果、熱を必要とし、他の反
応は発熱性であり、熱の除去を必要とすることに着目さ
れたい。典型的には、ＰＲＯＸ反応器１６は、熱の除去
を必要とする。反応器１４内の改質反応の１つ又はそれ
以上は、典型的には、吸熱性であり、熱が追加されるこ
とを必要とする。これは、典型的には、反応物、燃料
６、流れ８及び空気９を予め加熱することによって、及
び／又は選択された反応物を加熱することによって達成
される。Note that some of the reactions that occur within the fuel processor 2 are endothermic, and consequently require heat, while other reactions are exothermic and require heat removal. . Typically, the PROX reactor 16 requires heat removal. One or more of the reforming reactions in reactor 14 are typically endothermic and require additional heat. This is typically achieved by pre-heating the reactants, fuel 6, stream 8 and air 9 and / or by heating selected reactants.
【００３１】燃焼器３４からの熱は、始動の間、燃料プ
ロセッサ２内の選択された反応器及び反応器ベッドを加
熱する。燃焼器３４は、必要に応じて、間接的な熱輸送
によって、燃料プロセッサ内の選択された反応器及びベ
ッドの加熱を達成する。典型的には、そのような間接的
に加熱される反応器は、入口及び出口を備えた反応チャ
ンバーである。反応チャンバーの内部では、これらのベ
ッドは、キャリア部材基体の形態にあり、各々は、所望
の化学反応を達成するための触媒的な活性材料を担持す
る第１の表面を有する。第１の表面と反対側にある第２
の表面は、熱いガスからキャリア部材基体への熱輸送の
ため形成されている。更に加えて、燃焼器３４は、燃料
プロセッサ２への反応物質として供給される、燃料６、
水８及び空気９を予備加熱するため使用可能である。Heat from the combustor 34 heats selected reactors and reactor beds within the fuel processor 2 during startup. Combustor 34 achieves heating of selected reactors and beds in the fuel processor, if necessary, by indirect heat transport. Typically, such an indirectly heated reactor is a reaction chamber with an inlet and an outlet. Inside the reaction chamber, these beds are in the form of a carrier member substrate, each having a first surface carrying a catalytically active material to achieve a desired chemical reaction. A second surface opposite the first surface
Are formed for heat transport from the hot gas to the carrier member substrate. In addition, the combustor 34 includes fuel 6, supplied as a reactant to the fuel processor 2,
It can be used to preheat water 8 and air 9.
【００３２】燃料プロセッサ２に供給される空気９は、
１つ又はそれ以上の反応器１２において使用され得るこ
とに着目されたい。反応器１４がガソリン改質反応器で
ある場合、ライン９からの空気は反応器１４に供給され
る。ＰＲＯＸ反応器１６もＣＯをＣＯ2に酸化させるた
め空気を利用し、ライン９を介して空気供給源（コンプ
レッサ３０）から空気を受け取る。The air 9 supplied to the fuel processor 2 is
Note that it can be used in one or more reactors 12. If reactor 14 is a gasoline reforming reactor, air from line 9 is supplied to reactor 14. PROX reactor 16 also utilizes air to oxidize CO to CO 2 and receives air from line air source (compressor 30) via line 9.
【００３３】燃焼器３４は、入口端部４２、排出端部４
４及び両端部の間の触媒区分４８を備えるチャンバー４
１を画成する。炭化水素燃料は、燃焼器の中に注入され
る。炭化水素燃料は、液体形態にある場合、燃焼器へ注
入される前、又は、燃焼器の一区分に注入される前のい
ずれかで蒸発されて燃焼用の燃料として分散させるのが
好ましい。蒸発は、電気ヒーターによりなすことができ
る。一旦、システムが作動し、燃焼器が加熱された場
合、蒸発は、入ってくる燃料を蒸発させるため燃焼器の
排出物からの熱を使用して熱交換により発生させること
ができる。好ましくは、燃料計量装置４３は、炭化水素
の燃料が燃焼器に提供される率を制御するため提供され
る。The combustor 34 has an inlet end 42, a discharge end 4
4 with a catalyst section 48 between the two ends
Define 1. Hydrocarbon fuel is injected into the combustor. Preferably, the hydrocarbon fuel, when in liquid form, is vaporized and dispersed as fuel for combustion either before being injected into the combustor or before being injected into a section of the combustor. Evaporation can be achieved by an electric heater. Once the system is operating and the combustor is heated, evaporation can be generated by heat exchange using heat from the combustor exhaust to evaporate incoming fuel. Preferably, a fuel metering device 43 is provided to control the rate at which hydrocarbon fuel is provided to the combustor.
【００３４】炭化水素燃料４６及びアノード流出物２６
は、燃焼器３４の触媒区分４８内で反応され、この区分
は、燃焼器３４の入口端部４２及び出口端部４４の間に
存在する。酸素は、バルブ３２を介して空気供給源（即
ち、コンプレッサ３０）、又は、例えばカソード流出物
の流れ２８などの第２の空気の流れのいずれかから、シ
ステム作動状態に応じて、燃焼器３４に提供される。バ
ルブ５０は、燃焼器の排出物３６が燃料プロセッサ２内
の反応物を加熱するため必要とされないとき、それを大
気に捨て去ることを可能にする。Hydrocarbon fuel 46 and anode effluent 26
Is reacted in the catalyst section 48 of the combustor 34, which section exists between the inlet end 42 and the outlet end 44 of the combustor 34. Oxygen is supplied from either an air supply (ie, compressor 30) via valve 32 or a second air stream, such as cathode effluent stream 28, depending on system operating conditions, depending on system operating conditions. Provided to Valve 50 allows the combustor effluent 36 to be dumped to the atmosphere when it is not needed to heat the reactants in fuel processor 2.
【００３５】理解できるように、炭化水素の燃料の流れ
４６は、燃料電池装置の遷移状態及び定常状態の必要性
に合致させるため、必要とされるとき、燃焼器３４のた
めの燃料であるアノード流出物２６を増補する。幾つか
の状況では、排気ガスは、大気に解放される前に、レギ
ュレータ３８、停止バルブ１４０及びマフラー１４２を
通過する。図１のシンボルは、以下の通りである。
「Ｖ」はバルブ、「ＭＦＭ」は流量計、「Ｔ」は温度モ
ニター、「Ｒ」はレギュレータ、「Ｃ」は燃料電池のカ
ソード側、「Ａ」は燃料電池のアノード側、「ＩＮＪ」
はインジェクタ及び「ＣＯＭＰ」はコンプレッサであ
る。As can be appreciated, the hydrocarbon fuel stream 46 is fueled for the combustor 34 when needed to meet the transient and steady state needs of the fuel cell system. The effluent 26 is augmented. In some situations, exhaust gas passes through regulator 38, stop valve 140, and muffler 142 before being released to the atmosphere. The symbols in FIG. 1 are as follows.
"V" is a valve, "MFM" is a flow meter, "T" is a temperature monitor, "R" is a regulator, "C" is a cathode side of a fuel cell, "A" is an anode side of a fuel cell, "INJ".
Is an injector and “COMP” is a compressor.
【００３６】燃料プロセッサ２内の選択された反応器に
より要求される熱量は、燃焼器３４により供給されるべ
きであり、燃料の量、水入力及び究極的には燃料プロセ
ッサ２内の所望の反応温度に依存する。前述したよう
に、空気も燃料プロセッサで使用されることがあり、燃
料及び水の導入と共に考慮されなければならない。燃料
プロセッサ２の熱要求量を供給するため、燃焼器３４は
全てのアノード排気物即ち流出物及び可能ならば幾らか
の炭化水素燃料を利用する。エンタルピーの方程式が、
燃焼器３４の所望の熱必要量に合致させるように燃焼器
３４に供給されるべきカソード排気物即ち空気の量を決
定するために使用され、究極的には燃料プロセッサ２の
要求を満足させる。燃焼器３４に提供される酸素又は空
気は、典型的に燃料電池２２のカソードに供給される全
酸素のうちある一定の割合でカソード流出排気物２８、
及び、コンプレッサ３０からの空気流れのうち１方又は
両方を含んでいる。これは、当該装置がコンプレッサ空
気流れが排他的に用いられる始動モードで作動している
か或いはカソード流出物２８及び／又はコンプレッサ空
気を使用した駆動モードのいずれかで作動しているかに
応じて定まる。駆動モードでは、カソード流出物２８に
よっては合致されない燃焼器３４により必要とされる空
気全体、酸素、希釈剤は、燃焼器３４及び燃料プロセッ
サ２により各々要求される熱及び温度を満足させるため
のある一定量が、コンプレッサ３０によって供給され
る。空気の制御は、空気希釈バルブ４７を介して実行さ
れる。このバルブは、燃焼器３４に供給されるカソード
排出物２８の抜き取り量を制御するため可変のオリフィ
スを有する、ステッパーモータ駆動型のバルブである。The amount of heat required by the selected reactor in the fuel processor 2 should be supplied by the combustor 34, the amount of fuel, the water input and ultimately the desired reaction in the fuel processor 2. Depends on temperature. As mentioned above, air may also be used in the fuel processor and must be considered with the introduction of fuel and water. To provide the heat demand of the fuel processor 2, the combustor 34 utilizes all anode exhaust or effluent and possibly some hydrocarbon fuel. The enthalpy equation is
It is used to determine the amount of cathode exhaust or air to be supplied to the combustor 34 to meet the desired heat requirements of the combustor 34, ultimately satisfying the requirements of the fuel processor 2. Oxygen or air provided to the combustor 34 typically has a certain percentage of the total oxygen supplied to the cathode of the fuel cell 22, the cathode effluent exhaust 28,
And one or both of the air flows from the compressor 30. This depends on whether the device is operating in a start-up mode in which compressor airflow is exclusively used or in a drive mode using cathode effluent 28 and / or compressor air. In the drive mode, the total air, oxygen, and diluent required by the combustor 34 that are not matched by the cathode effluent 28 are to satisfy the heat and temperature required by the combustor 34 and the fuel processor 2, respectively. A certain amount is supplied by the compressor 30. The control of the air is executed via the air dilution valve 47. This valve is a stepper motor-driven valve having a variable orifice for controlling the amount of the cathode exhaust 28 withdrawn to the combustor 34.
【００３７】燃料電池装置の上記例では、その作動は、
次の通りとなる。燃料電池装置が低温で始動するときの
作動の開始時において、（１）システムに必要となる空
気を提供するためコンプレッサ３０が外部電源（例えば
バッテリー）から付勢される電気モータによって駆動さ
れる。（２）空気が燃焼器３４に導入される。炭化水素
燃料４６（例えばＭｅＯＨ又はガソリン）が燃焼器３４
に注入される。（３）空気及び燃料が、燃焼器３４内で
反応し、そこで、ほぼ完全な燃料の燃焼がもたらされ
る。（４）燃焼器３４から出た高温排気ガスは、燃料プ
ロセッサ２と連係した選択された反応器１２に輸送され
る。In the above example of the fuel cell device, its operation is:
It is as follows. At the start of operation when the fuel cell device starts at a low temperature, (1) the compressor 30 is driven by an electric motor powered by an external power supply (eg, a battery) to provide the air required for the system. (2) Air is introduced into the combustor 34. The hydrocarbon fuel 46 (eg, MeOH or gasoline) is supplied to the combustor 34.
Is injected into. (3) The air and fuel react in the combustor 34, resulting in nearly complete combustion of the fuel. (4) The hot exhaust gas exiting the combustor 34 is transported to the selected reactor 12 associated with the fuel processor 2.
【００３８】一旦、燃料プロセッサ２内の反応器が適切
な温度を達成した場合、改質プロセスが開始する。この
プロセスは次の工程を含む。（１）バルブ３２が、空気
を燃料電池２２のカソード側に差し向けるため作動され
る。（２）燃料及び水が、改質反応を開始するため燃料
プロセッサ２に供給される。（３）燃料プロセッサ２か
ら出た改質物が燃料電池２２のアノード側に供給され
る。（４）燃料電池２２からのアノード流出物２６が燃
焼器３４に向けられる。（５）燃料電池２２からのカソ
ード流出物２８が燃焼器３４に向けられる。（６）燃
料、空気、カソード流出物２８及びアノード流出物２６
が燃焼器３４内で燃焼される。Once the reactor in the fuel processor 2 has reached the appropriate temperature, the reforming process begins. This process includes the following steps. (1) The valve 32 is operated to direct air to the cathode side of the fuel cell 22. (2) Fuel and water are supplied to the fuel processor 2 to start the reforming reaction. (3) The reformate discharged from the fuel processor 2 is supplied to the anode side of the fuel cell 22. (4) The anode effluent 26 from the fuel cell 22 is directed to a combustor 34. (5) The cathode effluent 28 from the fuel cell 22 is directed to a combustor 34. (6) Fuel, air, cathode effluent 28 and anode effluent 26
Is burned in the combustor 34.
【００３９】幾つかの条件の下では、燃焼器３４は、追
加の炭化水素燃料４６の必要無しに、アノード及びカソ
ード流出物単独で作動することができる。そのような条
件の下では、燃焼器３４への燃料の注入は中断される。
他の条件、例えば電力の要求を増加させる条件の下で
は、増補の燃料４６が燃焼器３４に提供される。燃焼器
３４は、例えば、炭化水素燃料、並びに、燃料電池２２
のアノードからのアノード流出物２６などの多数の燃料
を受け取ることを理解することができる。燃料電池２２
のカソードからの酸素を使い果たした排出空気２８及び
コンプレッサ３０からの空気も、燃焼器３４に供給され
る。Under some conditions, the combustor 34 can operate on anode and cathode effluent alone without the need for additional hydrocarbon fuel 46. Under such conditions, the injection of fuel into the combustor 34 is interrupted.
Under other conditions, such as conditions that increase power demands, supplemental fuel 46 is provided to combustor 34. The combustor 34 includes, for example, a hydrocarbon fuel and the fuel cell 22.
It can be seen that it receives a large number of fuels, such as anode effluent 26 from the anode of the fuel cell. Fuel cell 22
The exhausted air 28 depleted of oxygen from the cathode and air from the compressor 30 are also supplied to the combustor 34.
【００４０】本燃料電池システムの一例によれば、図１
に示されたコントローラ１５０は、図１に示されたシス
テムの様々な態様の作動を制御する。コントローラ１５
０は、任意の適切なマイクロプロセッサ、マイクロコン
トローラ、パーソナルコンピュータなどから構成するこ
とができ、これは制御プログラム及びメモリ中に格納さ
れたデータを実行することが可能な中央処理ユニットを
有する。コントローラ１５０は、図１の任意の構成要素
に特化した専用コントローラであってもよく、或いは、
主要な車両用電子制御モジュールに格納されたソフトウ
ェアで実行されてもよい。更に、ソフトウェアベースの
制御プログラムが上述したように様々な作動モードにお
けるシステム構成要素を制御するため利用可能である
が、このような制御は専用の電子回路によって部分的又
は全て実行されてもよいことが理解されよう。According to one example of the present fuel cell system, FIG.
1 controls the operation of various aspects of the system shown in FIG. Controller 15
0 may comprise any suitable microprocessor, microcontroller, personal computer, etc., having a central processing unit capable of executing control programs and data stored in memory. The controller 150 may be a dedicated controller dedicated to any of the components of FIG. 1, or
It may be executed by software stored in the main vehicle electronic control module. Further, although software-based control programs are available to control system components in various modes of operation as described above, such control may be performed partially or entirely by dedicated electronics. Will be understood.
【００４１】好ましい実施形態では、燃料電池システム
は、車両推進システム６０（図２を見よ）の一部分とし
て燃料電池２２を含む。ここでは、燃料電池システムの
外部回路６０の一部分は、バッテリー６２、電気モータ
６４、及び、これらの連係する駆動用電子機器を含む。
この駆動用電子機器はインバータ６５を含み、燃料電池
システム、特に燃料電池２２と連係された直流から直流
への（ＤＣ／ＤＣ）コンバータ６１から電気エネルギー
を受け取り、それをモータ６４により生成される機械的
エネルギーに変換するように構成及び配置されている。
バッテリー６２は、燃料電池２２により供給された電気
エネルギーを受け取ってこれを蓄え、再生成の空白期間
の間にモータ６４により供給された電気エネルギーを受
け取ってこれを蓄え、及び該電気エネルギーをモータ６
４に提供するため構成及び配置されている。モータ６４
は、車両（図示せず）の車輪を回転させるため駆動車軸
６６に連結されている。電気化学的エンジン制御モジュ
ール（ＥＥＣＭ）７０及びバッテリーパックモジュール
（ＢＰＭ）７１は、例えばスタックの電圧及び電流を含
む様々な作動パラメータを監視するが、これらのパラメ
ータに限定されるものではない。この監視は、例えば、
バッテリーパックモジュール（ＢＰＭ）７１によって又
はＢＰＭ７１及びＥＥＣＭ７０の両方によって、ＢＭＰ
７１により監視される状態に基づいて車両コントローラ
７４に出力信号（メッセージ）を送るため、なされる。
車両コントローラ７４は、電気モータ６４、インバータ
６５を含む駆動用電子機器、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１
を制御し、ＥＥＣＭ７０からの電力レベルを要求する。In a preferred embodiment, the fuel cell system includes fuel cell 22 as part of vehicle propulsion system 60 (see FIG. 2). Here, a part of the external circuit 60 of the fuel cell system includes a battery 62, an electric motor 64, and driving electronics associated therewith.
The drive electronics includes an inverter 65 that receives electrical energy from a fuel cell system, particularly a direct current to direct current (DC / DC) converter 61 associated with the fuel cell 22 and converts it to a machine generated by a motor 64. It is configured and arranged to convert to static energy.
Battery 62 receives and stores the electrical energy provided by fuel cell 22, receives and stores the electrical energy provided by motor 64 during the regenerative blank period, and stores the electrical energy in motor 6.
4 are provided and arranged. Motor 64
Is connected to a drive axle 66 for rotating wheels of a vehicle (not shown). The electrochemical engine control module (EECM) 70 and the battery pack module (BPM) 71 monitor various operating parameters, including, but not limited to, stack voltage and current. This monitoring, for example,
BMP by battery pack module (BPM) 71 or by both BPM 71 and EECM 70
This is done to send an output signal (message) to the vehicle controller 74 based on the condition monitored by 71.
The vehicle controller 74 includes a driving electronic device including an electric motor 64 and an inverter 65, a DC / DC converter 61
To request a power level from the EECM 70.
【００４２】上述したように、燃料電池装置は、燃料電
池システムの３つの主要な構成要素、即ち、燃焼器３
４、燃料電池スタック２２及び燃料プロセッサ２が相互
接続されている、効率的なハードウェア構成を有する。
燃焼器３４は、スタック２２から燃料を受け取り、スタ
ック２２は、燃料プロセッサ２から燃料を受け取り、燃
料プロセッサは、燃焼器３４から熱を受け取る。As described above, the fuel cell device comprises three main components of the fuel cell system, namely, the combustor 3.
4. It has an efficient hardware configuration in which the fuel cell stack 22 and the fuel processor 2 are interconnected.
The combustor 34 receives fuel from the stack 22, the stack 22 receives fuel from the fuel processor 2, and the fuel processor receives heat from the combustor 34.
【００４３】図１に一例として示された燃料電池では、
燃料電池スタック２２は、燃料プロセッサ２から特定量
の改質物又は燃料を必要とする。必要とされる改質物の
量は車両負荷に依存しており、例えばその作動アノード
ラムダは、約１．２である。これは燃料電池スタック２
２が車両負荷により要求されるアンペア数に対して必要
となる水素の１．２倍を受け取るということを意味す
る。燃料プロセッサ２からの改質物の必要量より多い量
又は少ない量を供給することは、効率を損ない、車両の
負荷に関する必要性に合致しないことになる。更には、
燃焼器３４は、燃料電池２２により消費されずに燃料電
池２２から出た余剰の水素の全てを消費しなければなら
ない。これは、燃料電池システムから可燃性の水素が脱
出することを防止するため必要となる。In the fuel cell shown as an example in FIG.
The fuel cell stack 22 requires a certain amount of reformate or fuel from the fuel processor 2. The amount of reformate required depends on the vehicle load, for example, its working anode lambda is about 1.2. This is fuel cell stack 2
2 means that it receives 1.2 times the required hydrogen for the amperage required by the vehicle load. Providing more or less reformate than required from the fuel processor 2 will impair efficiency and will not meet the load requirements of the vehicle. Furthermore,
The combustor 34 must consume all of the surplus hydrogen from the fuel cell 22 without being consumed by the fuel cell 22. This is necessary to prevent flammable hydrogen from escaping from the fuel cell system.
【００４４】燃料プロセッサ２、燃料電池スタック２２
及び燃焼器３４を完全なバランスで作動させた状態を維
持することは困難であるので、燃料電池構成要素の少な
くとも１つに調整がなされなければならない。燃焼器３
４は、必要とされる調整又はバランス制御を行う上で最
良の構成要素である。Fuel processor 2, fuel cell stack 22
And it is difficult to maintain the combustor 34 operating in perfect balance, so adjustments must be made to at least one of the fuel cell components. Combustor 3
4 is the best component for performing the required adjustment or balance control.
【００４５】バランス制御がエネルギーの減衰を要求す
る場合、余剰の改質物即ち水素を捨てることが危険であ
るので、燃焼器３４から熱を捨てることが、エネルギー
を失わせる上で最も安全な方法である。その代わりに、
バランス制御が追加のエネルギーを要求する場合、再
び、燃焼器３４が余分の熱を生成するための最良の構成
要素となる。熱を増加させる一つの方法として余分の水
素を生成することが含まれたプロセスであるからであ
る。If the balance control requires a decay of energy, discarding heat from combustor 34 is the safest way to lose energy, as it is dangerous to discard excess reformate, ie, hydrogen. is there. Instead,
If balance control requires additional energy, again combustor 34 is the best component to generate extra heat. This is because one of the ways to increase heat is to generate extra hydrogen.
【００４６】通常の作動中において、燃焼器３４が多過
ぎる熱を燃料プロセッサ２に送った場合、比例熱ダンプ
バルブ５０が、燃料プロセッサ２の熱交換器から熱を逸
らせるため所定量だけ開放する。その代わりに、燃焼器
３４が、少な過ぎる熱を燃料プロセッサ２に送っている
場合、燃料インジェクタ４３が、燃料電池スタック２２
のアノードから受け取った水素を増補するため作動オン
となる。燃料インジェクタ４３は、燃料電池システム内
に存在する構成要素である。燃料電池の始動手続きが液
体燃料インジェクタを必要とするので、燃料電池システ
ム内に存在する構成要素である。During normal operation, if the combustor 34 sends too much heat to the fuel processor 2, the proportional heat dump valve 50 opens a predetermined amount to divert heat away from the heat exchanger of the fuel processor 2. . Alternatively, if the combustor 34 is sending too little heat to the fuel processor 2, the fuel injector 43 may
The operation is turned on to augment the hydrogen received from the anode. The fuel injector 43 is a component existing in the fuel cell system. This is a component that is present in the fuel cell system because the fuel cell startup procedure requires a liquid fuel injector.
【００４７】しかしながら、熱ダンプバルブ５０及び燃
料インジェクタ４３の同時的作動を防止するように制御
装置及び方法が実行されることが重要である。図３は、
本発明の制御装置及び方法を実行する流れプロセスを表
している。以下の説明では、本進歩的な装置及び方法
が、コントローラ１５０又はＥＥＣＭ７０により実行さ
れるソフトウェア制御プログラムで実施されるのが好ま
しいことが理解されよう。その代わりに、進歩的な制御
装置及び方法の機能のうち幾つか又はその全てが、ソリ
ッドステート電子回路内のハードウェア構成要素で実施
されてもよい。However, it is important that the control apparatus and method be implemented to prevent simultaneous operation of the heat dump valve 50 and the fuel injector 43. FIG.
1 illustrates a flow process for performing the control device and method of the present invention. In the following description, it will be appreciated that the present inventive apparatus and method is preferably implemented in a software control program executed by controller 150 or EECM 70. Alternatively, some or all of the functionality of the advanced controllers and methods may be implemented in hardware components within solid-state electronic circuitry.
【００４８】さらに、本進歩的な制御装置及び方法は、
特定の使用用途、例えば車両の推進などのため必要量の
電気エネルギーを生成するため燃料電池２２に印加され
る所与の負荷が存在する条件下で、説明される。コント
ローラ１５０は、燃料電池２２の負荷要求量を決定する
ことにより燃料電池システムを制御し、次に、負荷によ
り要求された必要アンペア数で燃料電池２２を作動させ
るのに必要となる水素量を生成するため特定のレベルで
燃料プロセッサ２の温度を維持するべく燃料プロセッサ
２に所与量の熱を供給するように燃焼器３４を作動させ
る。かくして、コントローラ１５０は、ステップ８０で
燃料プロセッサ２の所望温度をチェックし、総和関数８
４でステップ８２で決定されるように、当該所望温度を
燃料プロセッサ２の実際の温度と比較する。温度誤差信
号８６は、総和関数８４の出力として提供される。Further, the present advanced control apparatus and method include:
It will be described under conditions where there is a given load applied to the fuel cell 22 to generate the required amount of electrical energy for a particular use application, such as propulsion of a vehicle. The controller 150 controls the fuel cell system by determining the load requirement of the fuel cell 22, and then generates the amount of hydrogen required to operate the fuel cell 22 at the required amperage required by the load. To operate the combustor 34 to provide a given amount of heat to the fuel processor 2 to maintain the temperature of the fuel processor 2 at a particular level. Thus, the controller 150 checks at step 80 the desired temperature of the fuel processor 2 and determines the sum function 8
The desired temperature is compared to the actual temperature of the fuel processor 2 as determined in step 82 at 4. Temperature error signal 86 is provided as an output of sum function 84.
【００４９】温度誤差信号８６は、フィードバッグエレ
メント８８及び９０に供給される。好ましくは、フィー
ドバッグエレメント８８及び９０は、閉ループフィード
バッグコントローラである。可変に設定可能なエレメン
トを調整するため誤差信号を使用する任意の制御フィー
ドバッグを用いることができるが、ＰＩＤコントローラ
が、図３に示されたコントローラ８８及び９０のために
好ましく用いられる。The temperature error signal 86 is supplied to feedback elements 88 and 90. Preferably, the feedback elements 88 and 90 are closed loop feedback controllers. Although any control feedback that uses the error signal to adjust the variably configurable element can be used, a PID controller is preferably used for the controllers 88 and 90 shown in FIG.
【００５０】ＰＩＤコントローラ８８及び９０は、所望
の出力制御信号を発展させるため、誤差信号に追加され
若しくは該誤差信号から引かれる、比例項、積分項及び
微分項を備える。従来のＰＩＤ制御ループは、ハードウ
ェア及びソフトウェアのいずれかで実施することができ
る。例えば、従来のハードウェア設備では、ＰＩＤ項
は、別々の増幅器、積分器及び微分器の回路により与え
ることができる。その代わりに、及び本発明において好
ましくは、ＰＩＤ項は、コントローラ１５０又はＥＥＣ
Ｍ７０によるソフトウェア設備で与えられるのがよい。
コントローラ１５０又はＥＥＣＭ７０は、出力制御信号
の大きさを決定するため、測定及びセットポイントの入
力に対する適用された誤差値に応答して制御信号用の値
を生成するように従来の制御アルゴリズムを実行する。The PID controllers 88 and 90 include proportional, integral and derivative terms that are added to or subtracted from the error signal to develop the desired output control signal. Conventional PID control loops can be implemented in either hardware or software. For example, in conventional hardware equipment, the PID term can be provided by separate amplifier, integrator and differentiator circuits. Alternatively, and preferably in the present invention, the PID term is the controller 150 or EEC
It may be provided in a software facility according to M70.
Controller 150 or EECM 70 executes a conventional control algorithm to generate a value for the control signal in response to the applied error value to the measurement and setpoint inputs to determine the magnitude of the output control signal. .
【００５１】図３に示されたように、フィードバッグコ
ントローラ８８は、燃焼器燃料インジェクタ４３のコマ
ンドコントロールに制御信号を供給する。その一方で、
フィードバッグコントローラ９０は、ヒートダンプバル
ブ５０の位置コマンドコントロールに制御信号を提供す
る。As shown in FIG. 3, the feedback controller 88 supplies a control signal to the command control of the combustor fuel injector 43. On the other hand,
The feedback controller 90 provides a control signal to the position command control of the heat dump valve 50.
【００５２】各々のＰＩＤコントローラ８８の比例項
は、誤差信号の大きさに関連した線形ゲイン因子を表
し、制御信号の大きさは、所望のオリフィス断面積を達
成するため必要である。その積分項は、誤差信号の積分
に関連した長時間一定線形ゲイン項であり、これが無い
場合のセットポイントと測定値との間の比例のみの制御
ループで生じるであろう残余の誤差を減少させるために
使用される。その微分項は、誤差信号の微分であり、積
分項の長期間に亘る正確さの利点を減少させることな
く、システムの短期間遷移の応答機能を向上させる。The proportional term of each PID controller 88 represents a linear gain factor related to the magnitude of the error signal, and the magnitude of the control signal is necessary to achieve the desired orifice cross-section. The integral term is a long-term constant linear gain term associated with the integration of the error signal, which reduces the residual error that would otherwise occur in a proportional-only control loop between the setpoint and the measured value. Used for The derivative term is the derivative of the error signal and enhances the short term transition response of the system without reducing the long term accuracy advantage of the integral term.
【００５３】従来のＰＩＤ制御ループのように、キャリ
ブレーション即ちゲインが、ＰＩＤループの作動を仕上
げるため各項に提供される。これらのゲインは、従来の
ように、増幅器に供給される。As in a conventional PID control loop, a calibration or gain is provided for each term to complete the operation of the PID loop. These gains are provided to the amplifier in a conventional manner.
【００５４】最初に燃焼器の燃料インジェクタコマンド
コントロールに着目すると、フィードバッグコントロー
ラ８８の出力は、熱トリム信号を表しており、コントロ
ーラ１５０又はＥＥＣＭ７０に記憶された数学モデル８
９から予測された熱入力と共に総和器９２への入力とし
て供給される。この数学モデル８９は、燃料電池２２に
課される特定のエネルギー負荷の要求と合致させるため
燃料プロセッサ２により必要とされる熱量を予測する。
燃料プロセッサ２により必要とされる熱量を予測するモ
デル８９の説明及び作用は、「メタノールテイルガス燃
焼器の制御方法」という標題で１９９９年７月２１日に
出願され、本発明の譲渡人に譲渡された現在係属中の米
国特許出願シリアル番号０９／３５８，０８０号に説明
されている。現在係属中の出願の内容は、それらの全体
が本文中に組み込まれる。総和器９２の出力は、所望の
熱の大きさを示す信号９３である。この信号は、後述さ
れる熱トリムイネーブル信号で乗じられ、コントローラ
１５０又はＥＥＣＭ７０内に記憶された別のモデル９４
に入力される。この数学モデル９４は、この熱トリム信
号即ちコマンド値を燃料インジェクタ４３の特定のオリ
フィス断面積に転換する。本発明で使用するために適し
たモデル９４の説明及び作用は、上述した現在係属中の
米国特許出願シリアル番号０９／３５８，０８０号を参
照することによって説明され、その内容は既に本文中に
組み込まれている。その代わりに、熱コマンドは、固定
されたオリフィス燃料インジェクタ４３のための可変に
選択可能な「オン作動状態」の時間期間に転換されても
よい。このプロセスは、燃料プロセッサ２の温度を、ス
テップ８０で特定された所望の温度に上昇させるため、
燃焼器３４に余剰燃料の所望量を供給するように燃料イ
ンジェクタ４３に供給される燃焼器燃料インジェクタコ
マンド信号９６を生成する。Looking first at the fuel injector command control of the combustor, the output of the feedback controller 88 represents a thermal trim signal, and the mathematical model 8 stored in the controller 150 or EECM 70.
9 is provided as an input to summer 92 along with the predicted heat input. This mathematical model 89 predicts the amount of heat required by the fuel processor 2 to meet the specific energy load requirements imposed on the fuel cell 22.
The description and operation of the model 89 for predicting the amount of heat required by the fuel processor 2 was filed on July 21, 1999, entitled "Method for Controlling Methanol Tail Gas Combustors," and is assigned to the assignee of the present invention. No. 09 / 358,080, which is incorporated herein by reference. The contents of the currently pending application are incorporated herein in their entirety. The output of summer 92 is a signal 93 indicating the desired magnitude of heat. This signal is multiplied by a thermal trim enable signal, described below, and stored in controller 150 or another model 94 stored in EECM 70.
Is input to The mathematical model 94 converts the thermal trim signal or command value to a specific orifice cross section of the fuel injector 43. The description and operation of a model 94 suitable for use in the present invention is described by reference to the above-mentioned pending US patent application Ser. No. 09 / 358,080, the contents of which are incorporated herein by reference. Have been. Alternatively, the thermal command may be translated into a variably selectable "on-operation" time period for a fixed orifice fuel injector 43. This process raises the temperature of the fuel processor 2 to the desired temperature identified in step 80,
A combustor fuel injector command signal 96 is provided to the fuel injector 43 to supply a desired amount of excess fuel to the combustor 34.
【００５５】熱トリムイネーブル信号即ち熱所望信号
は、燃料流れの量を直接指令する代わりに燃焼器モデル
への熱要求に変えられることに着目されたい。燃焼器モ
デルが空気の流れを燃料の流れに合致させるとき、それ
は、燃焼器３４の効率的な作動のための厳密な燃料コマ
ンドを知っていなければならない。Note that the heat trim enable signal, or heat desired signal, can be converted to a heat demand on the combustor model instead of directly commanding the amount of fuel flow. When the combustor model matches the air flow to the fuel flow, it must know the exact fuel command for efficient operation of the combustor 34.
【００５６】フィードバッグコントローラ９０は、ヒー
トダンプバルブ５０の所望のオリフィス直径に関してヒ
ートダンプバルブ５０の所望の位置を特定するヒートダ
ンプバルブ所望位置信号９１を生成する。この信号９１
は、後述するように、熱ダンプバルブイネーブル信号で
乗じられ、バルブ５０の可変オリフィスをセットするた
めのバルブ５０への熱ダンプバルブ位置コマンド信号９
８を供給し、これによって、燃料プロセッサ２から所定
量の余剰熱を大気中に捨て、燃料プロセッサ２の温度
を、ステップ８０で与えられた、燃料電池２２に課され
る負荷に相当する所望温度にまで低下させる。The feedback controller 90 generates a heat dump valve desired position signal 91 that specifies the desired position of the heat dump valve 50 with respect to the desired orifice diameter of the heat dump valve 50. This signal 91
Is multiplied by a heat dump valve enable signal, as described below, to provide a heat dump valve position command signal 9 to the valve 50 to set the variable orifice of the valve 50.
8 to thereby dump a predetermined amount of excess heat from the fuel processor 2 into the atmosphere and reduce the temperature of the fuel processor 2 to the desired temperature given in step 80 and corresponding to the load imposed on the fuel cell 22. To lower.
【００５７】燃焼器燃料インジェクタ４３及びヒートダ
ンプバルブ５０が、同時に作動することから防止される
ことが重要である。一般には、ヒートダンプバルブ５０
が開放されて余剰熱が大気に流れることが可能となる場
合、ヒートダンプバルブ５０は、燃料プロセッサ２が所
定温度まで冷却されるとき停止即ち閉じられるのみであ
る。一旦、ヒートダンプバルブ５０が閉じられると、燃
焼器の燃料インジェクタ４３は、燃料プロセッサ２が非
常に冷却された状態となる場合に動作可能にされる。燃
料インジェクタ４３の動作可能化は、燃料プロセッサ２
の温度が再び非常に高くなり過ぎるまで、ヒートダンプ
バルブ５０をロックアウトする。It is important that the combustor fuel injector 43 and the heat dump valve 50 be prevented from operating simultaneously. Generally, the heat dump valve 50
Is opened to allow excess heat to flow to the atmosphere, the heat dump valve 50 is only stopped or closed when the fuel processor 2 is cooled to a predetermined temperature. Once the heat dump valve 50 is closed, the combustor fuel injector 43 is enabled when the fuel processor 2 is in a very cooled state. The enabling of the fuel injector 43 is performed by the fuel processor 2.
The heat dump valve 50 is locked out until the temperature again becomes too high.
【００５８】燃焼器燃料インジェクタ４３及びヒートダ
ンプバルブ５０の同時作動を防止するこのロックアウト
プロセスは、図３に示されるように、論理制御ブロック
１００及び１０２、並びに、乗算器１０４、１０６及び
１０８の手段により実施される。論理制御ブロック１０
０及び１０２は、ハードウェアエレメント内で実施され
るようにしてもよいが、好ましくは、ソフトウェア制御
ルーチンで実行されるのがよい。このような制御ブロッ
クでは、入力がゼロとなるか、そうでなければ、入力が
ゼロでないとき常に出力が１となる。論理制御ブロック
１００への入力は、燃焼器の燃料インジェクタコマンド
信号９６である。論理制御ブロック１０２への入力は、
ヒートダンプバルブの所望の位置信号９１である。This lockout process, which prevents the simultaneous operation of the combustor fuel injector 43 and the heat dump valve 50, is illustrated in FIG. 3 by the logic control blocks 100 and 102 and the multipliers 104, 106 and 108. Implemented by means. Logical control block 10
0 and 102 may be implemented in hardware elements, but are preferably implemented in software control routines. In such a control block, the input is zero, or otherwise the output is one whenever the input is not zero. The input to logic control block 100 is a combustor fuel injector command signal 96. The inputs to the logic control block 102 are:
This is a desired position signal 91 of the heat dump valve.
【００５９】以下、図３に示された方法及び装置の作動
の一例を、２つの例に関連して説明しよう。第１の例で
は、ステップ８０における燃料プロセッサ２の所望の温
度がステップ８２で決定されるような実際の温度より高
いことが仮定される。総和器８４からの温度誤差信号８
６は、総和器９２に熱トリム調整を出力するフィードバ
ッグコントローラ８８へ正の信号を生成する。この調整
は、燃料電池２２上の電流負荷要求の下で燃料プロセッ
サ２により要求された予測熱を変動させる。総和器９２
の出力は、熱要求信号９３であり、これは乗算器１０６
に入力される。乗算器１０６の他の入力が論理「１」レ
ベル信号であると仮定したとき、所望熱は、燃焼器燃料
インジェクタコマンド信号９６を生成するため、所望量
の注入燃料にステップ９４で転換される。信号９６はゼ
ロより大きいので、制御論理ブロック１００は、インバ
ータ１１０に１の制御信号を出力する。次に、インバー
タ１１０の出力は、乗算器１０４及び１０８への入力と
して供給され、ゼロ論理レベルでは、乗算器１０４及び
１０８もゼロにさせる。乗算器１０８の場合には、ゼロ
出力は、ヒートダンプバルブの位置コマンド信号９８を
ゼロにさせ、これによって、ヒートダンプバルブ５０を
確実に閉じた状態にする。インバータ１１０のゼロ出力
は、乗算器１０４の出力もゼロにさせる。乗算器１０４
の出力は、インバータ１１２により論理１信号に転換さ
れ、該信号は上述したように乗算器１００に供給され
る。One example of the operation of the method and apparatus shown in FIG. 3 will now be described in connection with two examples. In a first example, it is assumed that the desired temperature of the fuel processor 2 in step 80 is higher than the actual temperature as determined in step 82. Temperature error signal 8 from summer 84
6 generates a positive signal to the feedback controller 88 which outputs the thermal trim adjustment to the summer 92. This adjustment varies the expected heat required by the fuel processor 2 under current load requirements on the fuel cell 22. Summer 92
Is the heat demand signal 93, which is a multiplier 106
Is input to Assuming that the other input of multiplier 106 is a logic "1" level signal, the desired heat is converted at step 94 to the desired amount of injected fuel to generate combustor fuel injector command signal 96. Since signal 96 is greater than zero, control logic block 100 outputs a one control signal to inverter 110. Next, the output of inverter 110 is provided as an input to multipliers 104 and 108, causing a zero logic level to cause multipliers 104 and 108 to also go to zero. In the case of multiplier 108, a zero output causes heat dump valve position command signal 98 to be zero, thereby ensuring that heat dump valve 50 is closed. The zero output of inverter 110 also causes the output of multiplier 104 to go to zero. Multiplier 104
Is converted to a logic one signal by inverter 112, which is provided to multiplier 100 as described above.
【００６０】第２の例では、燃料プロセッサ２の実際の
温度は、燃料プロセッサ２の所望温度より高いと仮定さ
れる。コンパレータ８４は、所望の熱減少を示す温度誤
差信号８６を出力する。この信号は、フィードバッグコ
ントローラ９０に入力され、フィードバッグコントロー
ラ９０は、ヒートダンプバルブ所望位置信号９１を出力
する。次に、この位置信号９１は、論理制御ブロック１
０２に入力される。論理制御ブロック１０２の入力がゼ
ロより大きいので、論理制御ブロック１０２は、１の論
理レベル信号を乗算器１０４に供給する。乗算器１０４
の出力は、インバータ１１２に論理１を供給し、このイ
ンバータ１１２は、ゼロの論理信号を乗算器１０６に出
力し、これによって、ステップ９４における熱要求信号
９３を熱コマンドへの任意転換を防止する。In the second example, it is assumed that the actual temperature of the fuel processor 2 is higher than the desired temperature of the fuel processor 2. Comparator 84 outputs a temperature error signal 86 indicating the desired heat reduction. This signal is input to the feedback controller 90, and the feedback controller 90 outputs a heat dump valve desired position signal 91. Next, the position signal 91 is transmitted to the logical control block 1.
02 is input. Since the input of logic control block 102 is greater than zero, logic control block 102 provides a logic level signal of one to multiplier 104. Multiplier 104
Supplies a logic one to inverter 112, which outputs a logic zero signal to multiplier 106, thereby preventing any conversion of heat demand signal 93 in step 94 to a heat command. .
【００６１】この態様では、燃焼器燃料インジェクタ４
３及びヒートダンプバルブ５０は、同時に作動すること
から防止される。これは、論理制御ブロック１００及び
１０２の使用により確実になされる。ヒートダンプバル
ブ５０又は燃焼器の燃料インジェクタコマンド信号９６
を特定する任意の非ゼロ出力は、いずれが先に起ころう
とも、各々、インバータ１１２及び１１０により、直ち
に、対抗する熱トリム可能化制御又はヒートダンプバル
ブ可能化制御と連係する乗算器１０６及び１０８をゼロ
に保持させ、これによって、ヒートダンプバルブ５０又
は燃焼器燃料インジェクタ４３の他方が開放したとき、
燃焼器燃料インジェクタ４３又はヒートダンプバルブ５
０などの相手側エレメントの任意作動を防止する。この
ことは、２つのフィードバッグコントローラ８８及び９
０が作動中に互いに争わないことを確実にする。In this embodiment, the combustor fuel injector 4
3 and the heat dump valve 50 are prevented from operating simultaneously. This is ensured by the use of logic control blocks 100 and 102. Heat dump valve 50 or combustor fuel injector command signal 96
Any non-zero output, whichever occurs first, is immediately increased by inverters 112 and 110, respectively, to provide multipliers 106 and 108 in conjunction with opposing thermal trim enable or heat dump valve enable controls, respectively. Is maintained at zero, so that when the other of the heat dump valve 50 or the combustor fuel injector 43 is opened,
Combustor fuel injector 43 or heat dump valve 5
Arbitrary operation of the counterpart element such as 0 is prevented. This means that the two feedback controllers 88 and 9
0 ensure that they do not conflict with each other during operation.
【００６２】インバータ１１０及び１１２からの出力信
号が、各フィードバッグコントローラ９０及び８８のＰ
ＩＤループで用いられる積分器を停止させるためフィー
ドバッグコントローラ９０及び８８に各々接続されるこ
とにも着目されたい。積分器は、各々のインバータ１１
２及び１１０からのゼロ論理信号を受け取ると直ちに、
停止され、カウントすることを防止される。各フィード
バッグコントローラ９０及び８８は、各々のインバータ
１１２及び１１０から１の論理信号でリセットされる。The output signals from the inverters 110 and 112 are connected to the P
Note also that each is connected to a feedback controller 90 and 88 to stop the integrator used in the ID loop. The integrator is connected to each inverter 11
Upon receiving the zero logic signals from 2 and 110,
Stopped and prevented from counting. Each feedback controller 90 and 88 is reset by one logic signal from each inverter 112 and 110.
【００６３】要約すると、燃焼器燃料インジェクタ及び
ヒートダンプバルブが同時に作動することを防止するこ
とによって、効率的な燃料プロセッサ作動を提供する独
自の制御方法及び装置が開示された。これは、燃焼器
が、効率的且つ正確な態様で燃料プロセッサの温度をそ
の要求された温度に維持することを可能にする。In summary, a unique control method and apparatus has been disclosed that provides efficient fuel processor operation by preventing the combustor fuel injector and heat dump valve from operating simultaneously. This allows the combustor to maintain the temperature of the fuel processor at its required temperature in an efficient and accurate manner.
【図１】図１は、本発明に係る、燃料プロセッサを効率
的に加熱するための装置及び方法を利用することができ
る燃料電池システムを示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a fuel cell system that can utilize the apparatus and method for efficiently heating a fuel processor according to the present invention.
【図２】図２は、利用用途の手段に接続された、図１の
燃料電池装置の図である。FIG. 2 is a diagram of the fuel cell device of FIG. 1 connected to means of use;
【図３】図３は、本発明の方法及び装置の流れ／制御図
である。FIG. 3 is a flow / control diagram of the method and apparatus of the present invention.
２ 燃料プロセッサ ６ 燃料の流れ ８ Ｈ2Ｏの流れ ９ 空気の流れ １２、１４ 燃料改質反応器 １６ シフト反応器、優先酸化反応器 ２０ Ｈ2の豊富な改質物 ２２ 燃料電池 ２４ 酸化剤（空気；酸素）の流れ ２６ アノード流出物 ２８ カソード流出物 ３０ コンプレッサ ３１ バルブ ３２ バルブ ３４ 燃焼器 ３６ 燃焼器の排出物 ３８ レギュレータ ４１ チャンバー ４２ 入口端部 ４３ インジェクタ（燃料計量装置） ４４ 出口端部 ４６ 炭化水素燃料 ４７ 空気希釈バルブ ４８ 触媒区分 ５０ バルブ ６０ 車両推進システム ６１ ＤＣ／ＤＣコンバータ ６２ バッテリー ６４ モータ ６５ インバータ ６６ 駆動車軸 ７０ 電気化学的エンジン制御モジュール ７１ バッテリーパックモジュール ７４ 車両コントローラ ８０ 所望の燃料プロセッサ温度 ８２ 実際の燃料プロセッサ温度 ８４ 総和関数 ８６ 温度誤差信号 ８８ フィードバッグコントローラ ８９ 燃料プロセッサにより必要とされる熱を予測す
るモデル ９０ フィードバッグコントローラ ９１ ヒートダンプバルブ所望位置信号 ９２ 総和器 ９３ 熱要求信号 ９４ 熱コマンドを、注入される燃料の所望量に転換
するモデル ９６ 燃焼器燃料インジェクタコマンド ９８ ヒートダンプバルブ位置コマンド １００ 論理制御 １０２ 論理制御 １０４、１０６、１０８ 乗算器 １１０、１１２ インバータ １４０ 停止バルブ １４２ マフラー １５０ コントローラ2 Fuel Processor 6 Fuel Flow 8 H 2 O Flow 9 Air Flow 12, 14 Fuel Reforming Reactor 16 Shift Reactor, Priority Oxidation Reactor 20 H 2 Rich Reform 22 Fuel Cell 24 Oxidant (Air Oxygen flow 26 anode effluent 28 cathode effluent 30 compressor 31 valve 32 valve 34 combustor 36 combustor effluent 38 regulator 41 chamber 42 inlet end 43 injector (fuel metering device) 44 outlet end 46 hydrocarbons Fuel 47 Air dilution valve 48 Catalyst section 50 Valve 60 Vehicle propulsion system 61 DC / DC converter 62 Battery 64 Motor 65 Inverter 66 Drive axle 70 Electrochemical engine control module 71 Battery pack module 74 Vehicle controller 80 Desired fuel processor Degree 82 Actual fuel processor temperature 84 Sum function 86 Temperature error signal 88 Feedback controller 89 Model for predicting heat required by fuel processor 90 Feedback controller 91 Heat dump valve desired position signal 92 Summer 93 Heat demand signal 94 Model that converts heat commands to the desired amount of injected fuel 96 Combustor fuel injector commands 98 Heat dump valve position commands 100 Logic control 102 Logic control 104, 106, 108 Multipliers 110, 112 Inverter 140 Stop valve 142 Muffler 150 controller
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ブルース・ジェイ・クリンガーマン アメリカ合衆国ニューヨーク州14522，パ ルマイラ，ルート・トゥエンティーファー スト・ノース 1855 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Bruce Jay Klingerman, Route Twentyfirst North, Palmyra, 14522, New York, USA 1855
Claims (14)
物を生成する燃料プロセッサと、可変の燃料インジェク
タ及び該燃料電池スタックからの余剰燃料のいずれか一
つから供給された燃料を燃焼して該燃料プロセッサ用の
熱を生成する燃焼器と、該燃焼器からの余剰熱を逸らせ
るため該燃焼器に連結されたヒートダンプバルブと、を
有する燃料電池システムにおいて前記燃料プロセッサを
加熱する制御方法であって、 前記燃料プロセッサの実際の作動温度、及び、与えられ
た燃料電池スタックの負荷における前記燃料プロセッサ
の所望の作動温度の温度差を決定し、 前記燃料プロセッサの実際の温度が、前記燃料プロセッ
サの所望の温度より低い場合、前記決定された温度差に
基づいて、該燃料プロセッサにより必要とされる熱量を
予測し、 前記ヒートダンプバルブが閉じられた場合のみ、必要と
される熱量を生成するため前記燃焼器に燃料を供給する
ように前記燃料インジェクタへのコマンドを生成し、 前記燃料プロセッサの実際の温度が該燃料プロセッサの
所望の温度より高い場合、該燃料プロセッサの実際の温
度を前記所望温度に低下させるため該燃料プロセッサへ
の入力前に前記燃焼器から逸らさなければならない熱量
を決定し、 前記決定された熱量を逸らせるため前記ヒートダンプバ
ルブのオリフィスの位置を決定し、 前記燃料インジェクタが閉じられた場合にのみ所望の熱
量を逸らせるため前記ヒートダンプバルブのオリフィス
へのコマンドを生成する、各工程を含む前記方法。1. A fuel processor for producing a reformate to be supplied to a fuel cell stack, and a fuel supplied from one of a variable fuel injector and surplus fuel from the fuel cell stack to burn the fuel. A control method for heating the fuel processor in a fuel cell system comprising: a combustor that generates heat for a fuel processor; and a heat dump valve coupled to the combustor to divert excess heat from the combustor. Determining the actual operating temperature of the fuel processor, and the temperature difference between the desired operating temperature of the fuel processor at a given load of the fuel cell stack, wherein the actual temperature of the fuel processor is Predicts the amount of heat required by the fuel processor based on the determined temperature difference Only when the heat dump valve is closed generates a command to the fuel injector to supply fuel to the combustor to generate the required amount of heat, the actual temperature of the fuel processor being the fuel Determining, if higher than the desired temperature of the processor, the amount of heat that must be diverted from the combustor prior to input to the fuel processor to reduce the actual temperature of the fuel processor to the desired temperature; Determining the position of the orifice of the heat dump valve to deflect the heat, and generating a command to the orifice of the heat dump valve to deflect the desired amount of heat only when the fuel injector is closed. The method.
放されるか否かを決定して信号を生成し、 前記ヒートダンプバルブが開放されるか否かを決定して
信号を生成する、各工程を更に含む、請求項１に記載の
方法。2. The method further comprises: determining whether an orifice of the fuel injector is opened to generate a signal; and determining whether the heat dump valve is opened to generate a signal. The method of claim 1, comprising:
口を備えた線形アクチュエータとして提供する工程を更
に含む、請求項１に記載の方法。3. The method of claim 1, further comprising providing the heat dump valve as a linear actuator with a variable diameter outlet.
燃料プロセッサの所望の作動温度と等しいか又は小さく
なるまで前記ヒートダンプバルブの開放状態を維持する
工程を更に含む、請求項１に記載の方法。4. The method of claim 1, further comprising maintaining the heat dump valve open until the actual temperature of the fuel processor is less than or equal to a desired operating temperature of the fuel processor. Method.
燃料プロセッサの所望の作動温度より大きいか又は等し
くなるまで前記燃料インジェクタの作動オン状態を維持
する工程を更に含む、請求項１に記載の方法。5. The method of claim 1, further comprising maintaining the fuel injector on until the actual temperature of the fuel processor is greater than or equal to a desired operating temperature of the fuel processor. Method.
は、 必要熱コマンドを生成し、 前記必要熱コマンドを、前記燃焼器への空気流れに基づ
いて、前記燃料インジェクタを通して注入される燃料量
に転換する、工程を更に含む、請求項１に記載の方法。6. The step of generating the required amount of heat comprising: generating a required heat command, wherein the required heat command is injected through the fuel injector based on an air flow to the combustor. The method of claim 1, further comprising the step of:
焼器、該燃焼器により該燃料プロセッサに供給される熱
を逸らせるため該燃焼器に連結されたヒートダンプバル
ブ、及び、燃料を該燃焼器に供給するための燃料インジ
ェクタを含む燃料電池システムにおいて、該燃料プロセ
ッサに供給される熱を制御するための装置であって、 燃料電池スタックに与えられた負荷に対して前記燃料プ
ロセッサにより必要とされた熱を予測する手段と、 前記燃料プロセッサの実際の作動温度、及び、与えられ
た負荷における前記燃料プロセッサの所望の作動温度の
温度差を決定する手段と、 予測された前記必要とされた熱及び前記温度差から所望
の熱値を得るための手段と、 前記所望の熱値を所望の燃料インジェクタの流量信号に
転換するための手段と、 所望の熱逸らし量に対してヒートダンプバルブの流量位
置を決定するための手段と、 前記ヒートダンプバルブ及び前記燃料インジェクタの状
態に応じて、該燃料インジェクタが開放された場合に該
ヒートダンプバルブが開放されることを防止し、該ヒー
トダンプバルブが開放された場合に前記燃料インジェク
タが開放されることを防止するための手段と、 を含む、前記装置。7. A fuel processor, a fuel cell stack, a combustor, a heat dump valve coupled to the combustor for deflecting heat supplied by the combustor to the fuel processor, and providing fuel to the combustor. An apparatus for controlling heat supplied to a fuel processor in a fuel cell system including a fuel injector for supplying fuel, the apparatus being required by the fuel processor for a load applied to a fuel cell stack. Means for predicting heat; means for determining a temperature difference between an actual operating temperature of the fuel processor and a desired operating temperature of the fuel processor at a given load; and Means for obtaining a desired heat value from the temperature difference; and means for converting the desired heat value to a desired fuel injector flow signal. Means for determining the flow position of the heat dump valve with respect to the desired amount of heat divergence; and, depending on the state of the heat dump valve and the fuel injector, the heat dump valve is opened when the fuel injector is opened. Means for preventing the fuel injector from being opened and preventing the fuel injector from being opened when the heat dump valve is opened.
流れ出口を備えた線形アクチュエータである、請求項７
に記載の装置。8. The heat dump valve according to claim 7, wherein the heat dump valve is a linear actuator with a variable diameter flow outlet.
An apparatus according to claim 1.
に応じて、該燃料インジェクタの出口が開放されている
場合に信号を生成する手段と、 前記ヒートダンプバルブの流れ出口の位置に応じて、該
ヒートダンプバルブの流れ出口が開放されている場合に
信号を生成する手段と、 を更に含む、請求項７に記載の装置。9. A means for generating a signal when the outlet of the fuel injector is open according to the position of the flow outlet of the fuel injector; and 8. The apparatus of claim 7, further comprising: means for generating a signal when the heat dump valve outlet is open.
いて、前記燃料インジェクタを通して注入される燃料量
に転換するための手段と、 を含む、請求項７に記載の装置。10. The means for obtaining the desired heat value includes: means for generating a required heat command; and the required heat command is injected through the fuel injector based on airflow to the combustor. The device of claim 7, comprising: means for converting to a fuel quantity.
は、 前記温度差を決定する手段に応答するフィードバッグ制
御手段である、請求項１０に記載の装置。11. The apparatus of claim 10, wherein the means for generating the required heat command is a feedback control means responsive to the means for determining the temperature difference.
Ｄ制御手段である、請求項１１に記載の装置。12. The feedback control means comprises a PI
The device according to claim 11, which is a D control means.
決定するための手段は、前記温度差を決定する手段に応
答するフィードバッグ制御手段である、請求項７に記載
の装置。13. The apparatus according to claim 7, wherein the means for determining the flow position of the heat dump valve is a feedback control means responsive to the means for determining the temperature difference.
Ｄ制御手段である、請求項１３に記載の装置。14. The feedback control means comprises a PI
14. The device according to claim 13, which is a D control means.
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